整合洪水模拟与疏散模型的洪水遇难者评估方法研究——以荷兰van Maas en Waal地区为例

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21世纪,许多国家与地区正面临着因全球气候变化与地方环境挑战造成的日益严重的洪水威胁。在荷兰,一个因长期与洪水作斗争而闻名于世的低地国家,也面临着逐渐上升的洪水风险。2000年后,荷兰新一轮全天圩田洪水风险评估由RIVM完成。研究发现,在许多圩田地区,洪水风险的上升主要来自于防洪设施标准老化与社会经济发展、以及洪水灾害诱因增加等因素之间的矛盾。严峻的现实要求适应性更强的应急响应与减灾防灾措施。而这些应对策略,无疑应建立在对洪水风险可靠的评估基础之上。确切的说,洪水风险为洪水发生概率与洪水造成的影响共同决定。一般洪水灾害影响包括多个方面,如人员伤亡,经济损失,环境与游憩损失等。其中人员伤亡被普遍认为中最重要的影响。因此,对洪水遇难者进行合理估计,对于洪水灾害风险的评估具有重要意义。通常,对洪水遇难者人数的估计包括对灾害水平与人类响应两方面的分析。洪水灾害遇难者评估的方法论研究从上世纪80年代就开始了,随着更多灾害记录数据与新的模型方法的应用,这一领域的方法论也不断演化发展。近来,这一领域的研究通过提出一套基于灾害过程的建模框架(Jonkman,Vrijling,et al.2008),将灾害特征与人类对灾害的响应结合起来。特别是洪水模拟与疏散模拟的结合已成为一个重要的研究着眼点。然而,尽管在疏散建模领域已有大量研究,洪水遇难者评估的方法论进展似乎却并不理想。通过大量文献回顾,本文发现,已有研究中,洪水与疏散过程的关系并不明确,有的模型算法高度复杂、难以理解。已有研究框架不能较好分析灾害与疏散过程的相互作用对人的生命安全产生的细致影响,尤其是这种影响的空间差异。现有模型更缺乏清晰解释以及对空间差异关注的不足,降低了模型的适应性与实用性。  本文选取荷兰众多圩田中的van Maas en Waal地区,通过清晰地界定洪水与疏散过程的时空关系,分析疏散过程中个人与社会的行为过程与特征,将洪水模拟与疏散模型以更透明的方式整合起来。通过对相关领域文献的大量回顾,以及对灾害与疏散过程的深入分析,本文提出一个结构清晰,理论基础牢固的洪水遇难者评估概念模型,并以此为基础发展出以六个紧密联系的分析模块构成的建模框架,对不同预景条件下的遇难者人数进行估计。利用已有的洪水模拟产生的水文特征数据,对洪水灾害的过程进行描述。同时按照Waarts与Jonkman等人提出的方法,将整个研究区域划分为具有不同灾害水平的淹没区类型。第二,利用GIS空间分析方法,本文对基础设施受到的来自灾害的动态影响进行模拟,分析不同时刻可供疏散使用的基础设施。第三,本文通过设计疏散预景,探索在不同的预景与灾害动态影响下,对居民出发撤离的模式进行研究,并由此对疏散出行的需求进行估计。第四,本文使用不同的路径规划算法,在疏散撤离的起点与终点之间规划疏散路径并模拟交通通行状况。紧接着,将居民参与疏散分析、疏散路径与交通路况模拟等分析的结果聚合起来,采用ArcGIS地理处理与MatLab脚本处理联合建模的途径,对不同类型的洪水暴露风险(在家暴露与在途暴露)进行估计。特别是在途暴露者的估计,通过构建一种新的数据结构,深入分析居民撤离与洪水漫延的时空关系,在较高精度上实现了动态暴露时刻与位置的识别。最后,依据Jonkman等人提出的算法,将洪水暴露者人数与估计得到的死亡率相乘,得到洪水遇难者人数的估计值为266人,这一估计结果高于官方HIS系统的估计值,但二者差异尚可接受。为了应对人类行为与社会组织中的不确定性,本文设计了多个疏散预景,并对疏散撤离时间安排、疏散出口选择、疏散路径规划等多个方面进行了差异化设计。  本文利用空间统计方法,对遇难者人数分布的空间格局进行分析,识别出在不同空间尺度上,灾害造成的人员伤亡具有不同的分布特征。宏观上,并没有发现明显的全局集聚现象。但在局部地区出现不同风险类型的社区群组,这可能为分区域的灾害应对决策提供参考。案例研究发现,即使对于van Maas en Waal这样一个人口规模不大,人口密度较低的地区,当严重的洪水灾害发生,依然有可能造成显著的人员伤亡(估计伤亡人数266人)。在数量上,在家伤亡比例明显较高,而在空间上,在途伤亡则有非常明显的集聚特点。对不同预景下估计结果进行比较发现,模型的最终结果某种程度上,对于模型参数的变化比较敏感,这可能降低模型估计结果的可靠性。然而,若要验证这一点,还需要进行模型敏感性分析。作为方法论研究,本文所提出的模型框架结构清晰,对于模型与算法的解释充分,易于理解与解读。在模型的有效性、实用性与适应性三个方面也有一定的优势,在一定程度上模型的质量值得肯定。然而,本研究的存在的不足与局限也比较明显,包括:模型缺乏校准过程、对人的行为过于简化的假设、动态交通建模的不足、时空间分辨率的不一致,以及建模平台的相互配合等问题。对本研究的进一步改进方向包括:基于实地调查的深入分析,合作式规划的方法将地方知识引入模型构建,对居民偏好与行为的针对性研究,基于效用或智能体的新的建模方法在出发、路径规划决策模拟中的应用,动态交通流量分配算法的应用,模型敏感性、误差分析,建模环境与平台整合等方面。
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